海洋石油钻采装备与结构 第八章 钻井船

1 .钻井船的概念

钻井船（drilling ship）是深海石油开采工艺过程中最为重要的工具之一。通常所提到的钻井船是指用于在水上钻井并可以移动的船。这种船在钻井时漂浮在水上，适于深水作业；采用锚泊系统或动力定位系统，使船锚碇于海底井口上方进行钻井；大多数将井架设在船的，以减少船体摇荡对钻井工作的影响；多具有自航能力。而无自航能力的钻井船又称为“钻井驳”。 2. 钻井船的分类

钻井船是浮船式钻井平台，它通常是在机动船或驳船上布置钻井设 备。平台是靠锚泊或动力定位系统定位。其大致分类如下： 1）按其推进能力分:有自航式和非自航式；

2）按船型分:有端部钻井、舷侧钻井、船中钻井和双体船钻井； 3）按定位分:有一般锚泊式、转盘锚泊式和动力定位式。 3. 钻井船的优缺点

早期形式为钻井驳船，多用旧船改装，只适用于浅海风浪较小的海 域。现代钻井船多为专门设计，全部钻井和生活设施都在船上，能自航 并有向大型化发展的趋势。其主要优缺点如下：

1）优 点：移动灵活、适应水深大、自持能力强、载重储藏量大等。 2）缺 点：建造成本较大，建造周期长；

受风浪影响大、稳定性差、开工率较低等。

从以上缺点中我们可以看出浮船式钻井装置船身浮于海面，易受波 浪影响，可以采取的技术措施有：

① 设减摇水舱以减轻船的摇摆，但效果不明显；

② 采用中间锚泊系统。船中间有一个可转动的大圆筒,筒上安钻机、井架 等，筒下用锚链与海底连接，船可围绕圆筒旋转，使之常处于迎风迎 浪的位置以减少船的摇摆和位移；

③ 安装一套水下器具，包括柔性接头、伸缩钻杆和升沉补偿装置等，以 适应钻井船的摇摆、位移和升沉；

④ 安装动力定位系统，可使船的性能显著提高，在波高7m、流速1.5kn （节）、风速25m/s的海况条件下可以保持固定位置。动力定位系统由 声纳发生器、接收器、电子计算机及纵向、横向螺旋桨组成。水下井 的声纳发生器发出信号，船底的接收器能测出船的偏移方位和数值并 输入计算机，计算机自动控制相应的螺旋桨运转发出推力使钻井船复 位，不需抛锚。

第二节 DISCOVERER 534钻井船

一、简 介

Discover534是一艘自航的动力定位钻井船，使用18—3/4〃 10，000psiBOP组和21〃的隔水管，在中等海况下作业水深可达7，000英尺（2134m）。

表8—1 Discover534简介

Discoverer 534主要参数住宿直升机坪月池尺寸定位方式最大钻井深度最大钻井作业水深作业条件风暴条件长 X 宽 X 高自航速度作业吃水/排水量作业补芯海拔钻井可变负荷总可变负荷136人（LW3-1-1井作业期间为147人）S-61; 90英尺 x 92英尺; 2000加仑加油系统直径7米，高9.75米动力定位（2套DGPS系统和1套声纳定位系统）26,000英尺 / 7,925米7,000英尺 / 2,134米（最小作业水深：244米）浪高: 25英尺; 风力: 50节 浪高: 90英尺；风力: 100节 534英尺(163米) X 87英尺(27米) X 32英尺(10) 7节（3.6m/s）－－历史平均航速7.54 米 / 22885mt14米3000-4000mt（取决于定位要求、海况等）9,236 st / 8,381 mt 表8—2 Discover534主要参数

Discoverer 534主要钻井设备井架绞车钻柱补偿器顶驱转盘泥浆泵振动筛除砂器防喷器LMRP分流器控制系统隔水管隔水管张力器固井泵Pyramid 170 x 46 x 54 ft; 600 mt nominalNational 1625-DE 3000 HPVarco Shaffer, 600klbs，7.6mVarco TDS-4S, 650 stNational C-495 with 49½in opening 3 x National 12-P-160 triplex pumps 6 x Brandt dual tandem; 5 Brandt LCM shakersHydrocyclone Cones w/ (20) 4in cones. 2 x Shaffer 18¾in 10,000 psi double rams;Shaffer 18¾in 5,000 psi annular preventer;Shaffer 18¾in, 5,000 psi annular; Vetco HAR-H4Regan KFDS w/14in outlets，500psi，24-1/4\"ID Shaffer multiplex system. Vetco 21 in OD, 75 foot joints 16 X 100 kips，12-1/2 ft StrokeBJ Services,SCP 40752 / RAM mixing,10000psi表8—3 Discover534主要钻井设备 Discoverer 534船材料存储能力燃油水泥浆活动池泥浆处理系统泥浆储备池土粉重晶石水泥散装仓钻井甲板 甲板负荷能力隔水管甲板 甲板负荷能力压载水2680 m3225m2生活水+1974m2钻井水+2320m3 污水1874 bbls混合罐115bbls；小池42bbls；脱气池195bbls；除泥器池48bbls；除砂器池48bbls；沉砂池220bbls；计量罐50 bbls2936 bbls6000 ft36000 ft34个罐, 共4800ft3100 MT82 ft x 27 ft x 2 (左舷 & 右舷)2.44 mt/m2 + 1.22 mt/m271 ft x 32 ft x 2(左舷 & 右舷)3.05 mt/m2 + 1.22 mt/m23114 m3表8—4 Discover534材料存储能力

1、吊车：4台（柴油机驱动） 推进器：6 X 2500马力 1 x Seatrex 72, 62 tons @ 20 ft 2 x BE MK-60, 47 tons @ 25 ft 1 x BE MK-35, 35 tons @ 20 ft 救生艇能力：4 X 70人/艘 2、D534动力定位系统

D534是采用动力定位的钻井船。它的动力定位系统（DP “CLASS 1”） 包括：

2套DGPS定位系统 1套声纳定位系统（LUSBL）

6个推进器（Bird-Johnson 2500马力/个） DP控制系统（计算机、软件）

各种测量传感器（风速、风向、流速、流向等） 操作程序和应急程序：

D534船在自身GPS定位系统的指引下到达井位，ROV开始在井位的四周安放声纳信号标，共安放5个，均布在井位四周，每个信标距离井位约1400英尺。

在随后的钻井作业时间里，钻井船就以5个信标为参照物（有3个信标能正常工作即可，其余2个主要考虑备用），利用自身的定位系统进行定位。 （1）动力定位系统的优点 • 移位和定位期间不需要拖船 • 就位迅速 • 能快速移离井位 • 能避免抛锚作业的风险

动力定位系统的缺点 • 失去动力和动力不足的风险 • 推进器失效的风险 • 耗油量大大增加

• 漂移的风险增加 （2）声纳定位系统的优点：

• 精确度高 (1-2%水深，最大适用水深为2500m) • 信号无线传输 (不需要电缆)

• 基本不受天气条件的影响 ( GPS系统就受天气条件的影响) • ，不需要依靠其它系统提供的信号

声纳定位系统的缺点：

• 易受噪声的影响，如环境噪声, 推进器噪声, 测试MWD,等 • 折射和阴影区 bending and shadow zones • 信号传输时间 Recovery time

• 易受其它声纳系统的干扰，如多条船在同一地方工作的情况 （3）DGPS定位（ Differential Global Positioning System ） 目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术，即DGPS,其原理是将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

DGPS 是一种非常精确的定位，象其它定位方法一样，DGPS也会收到一些因素的影响：

• 电离层的干扰，太阳黑子的活动

• 闪光的影响，导致GPS信号变弱，在西非和巴西比较强 • 遮挡，如平台吊机的移动等

由于各种定位方式都具有一定的局限性，所以在DP钻井船上的具体应用中，都会采用2种或多种定位方式，还要具有备用系统和应急程序。

图8—1

图8—2

3. D534的隔水管和防喷器系统  分流器

型号：ABB Vetco Gray KFDS 工作压力：500psi 通径：47″

球接头最大角度：30° 芯子内径：10″ 出口管：2 x 14″  伸缩节

厂家：Oil State 接头：HMF,2000klbs

内筒：21″OD x 0.625″wall，X-65 外筒：24″OD，0.625″wall，X-60 抗拉：1750klbs 工作压力：500psi 冲程：16.15m 内径：19.75″  球接头

深水钻井作业的隔水管串中，通常会使用三个球接头，分流器下面一个，伸缩节下面一个，BOP组上面一个。其作用是减少弯矩和应力集中，解决由于未对准带来的问题。正常作业过程中要尽量是其角度小于3度。  灌水阀隔水管  隔水管 厂家：Vetco 接头：HMF,2000klbs

尺寸：21″OD x 0.625″wall，X-65 内径：19.75″ 抗拉：1750klbs 工作压力：500psi

单根长度：75ft 内径：19.75″ 隔水管的附属管线：

1、压井管线 2、阻流管线 3、海底增压管线 4、液压管线

隔水管浮力块的抗压能力分为多个级别，适应不同的水深，提供不同的浮力，以不同的颜色区别。

ComponentBOP & LMRP75ft Slick jnt for wt75ft Purple (8000ft)75ft Red (7000ft)75ft Black (6000ft)75ft Orange (5000ft)75ft Yellow (4000ft)75ft Green/Blue (3000ft)40 ft pup20 ft pup10 ft pup5 ft pup20 ft F/up jntTermination jointFlex jntS/jnt closedDivertor Flex jntDivertorLength Ft43.6875757575757575402010520759.39.38.166.2Wet wt40000018161104820362025607101200117276817434330401059815100359814995028000Dry wt46000021850409003941038410372503555033785135007850500035001220049240414205750028000Buoyancy0.130.130.850.880.910.930.980.960.130.130.130.130.130.690.130.13表8—5

泥浆密度对隔水管张力的影响：使用高的泥浆密度时需要相应调高隔水管张力器的张力

图8—3 泥浆密度对隔水管张力的影响

 水下防喷器组

上下万能 : NL Shaffer Spherical 5000psi

可变闸板 : - 3 1/2\"- 5\" Variables with Shaffer Ultra Lock 2 B - Shaffer SL

上闸板:- 5\" Fixed, Posilocks- Shaffer SL 下剪切闸板:- V Shear Shaffer SL with Posilocks

隔水管 ID 19.75“ ----阻流 & 压井管 ID 3“---增压管线 ID 3.326“ 闸板 : 10000psi 18-3/4”  水下井口 4.BOP控制系统

液压控制

浅水

电液控制 多元控制

深水

图8—4 BOP控制系统

图8—5

图8—6

深水隔水管和BOP系统和浅水的不同： 1、隔水管：长度不同、浮力块、附属管线 2、Fill Up Joint（灌水阀隔水管） 3、中间球接头（使用了3个球接头） 4、BOP控制方式不同（多元控制方式） 5、BOP配置（两个剪切闸板）

二、事故

1、隔水管紧急解脱事故发生经过：

11月20日00:05，DP控制室计划把D534船的艏向从240°调到120°，在调整艏向到200°时，发现左舷的推进器很吃力，船开始向西漂移，在几分钟内，船的漂移超过了黄色警戒圈（72ft），很快又达到了红色警戒圈（102ft），于是通知钻台启动了紧急解脱程序：剪切钻具，解锁隔水管连接器。 当时的钻井作业：

进行7”尾管固井作业开始不久，刚刚混泵了35桶水泥浆，平台实施了紧急解脱后，钻具被剪断，隔水管连接器解锁脱开，隔水管内泥浆全部排海。 Riser Fill Valve

深水作业过程中，可能会遇到严重井漏或隔水管紧急解脱等情况，当隔水管内的液面下降到一定的程度时，隔水管外的海水压力就可能挤毁隔水管。隔水管灌水阀是深水作业过程中防止隔水管挤毁的一个工具。

（1）正常钻井过程中，该阀是关闭的。当隔水管内的钻井液液面降低到一定程度时，隔水管外的水压使该阀打开，海水进入隔水管，防止内外压差过大挤毁隔水管。

（2）该阀是自动的，通过压力传感器控制开关。也可以接上控制管线手动开关。

2、隔水管上阻流管线泄漏事件

11月20日在进行BOP试压时，发现上万能和中闸板均试不起压，经检查发现阻流管线泄漏。11月21日隔水管紧急后决定起出LMRP检查。起隔水管、检查更换密封、加上重新下入共耗时99小时。

第四节 海洋石油941号钻井船

1.海洋石油941号钻井船简介

“海洋石油941”钻井船是我国第一艘作业水深可达122米的自升悬臂式 钻井船。由中国海洋石油总公司控股的中海油田服务股份有限公司委托大连船舶重工集团有限公司建造的。项目从立项到完工交付历时3年，总投资额逾10亿元人民币。该自升悬臂式钻井船无论是船型设计还是主要设备配置都达到了国际先进水平。

除作业水深可达122米外，还是世界上第一艘采用钻机全变频驱动技术的自升悬臂式钻井船；是国内第一艘钻井深度超过9000米的自升悬臂式钻井船；是国内第一艘具备高温高压井钻探能力的钻井船。

“海洋石油941”钻井船所采用的自动化钻机控制技术达到了世界先进水平；所配备的悬臂梁所覆盖的作业范围国内最大，其钻井可变载荷能力较目前国内同类最大钻井船高出近80％；并可在作业过程中，实现真正意义上的“零排放”，可把对周边作业海域的生态影响降至最低。这是中海油及其专业公司可持续开发海洋资源的重要举措。

2.船型及能力

“海洋石油941”钻井船具有较强的海上作业能力，在最大作业水深122m 时的最大钻井可变载荷为3766 吨，悬臂梁纵向作业范围：最大外伸22.86m，钻台左右横向移动各4.57m，最低设计温度-20℃，最大钻井作业深度可达到9150m。 “海洋石油941”钻井船钻井船船型为三角形船体，带有三个三角形桁架桩腿，每个桩腿由下端的桩靴支撑。钻井船的船体型长70.36 米，型宽76.00 米，型深9.45 米。三个桩腿位置如下：前桩腿位于钻井船中心线上，两个后桩腿距前桩腿45.72 米，位于中心线两侧23.774 米处。桩腿下端的桩靴为一个外径17.985 米的多边形圆锥体。包括桩靴在内，桩腿全长166.98 米。

“海洋石油941”钻井船设有五层的生活区，满足UK HSE 标准，能够提供120人的就餐、住宿、医疗、办公和娱乐，设有单、双人居住舱室。直升飞机平台位于钻井船轴线前部。生活区还包括候机室、无线电通讯室、升降控制室和应急发电机房。

钻台位于悬臂梁尾部的底座上，悬臂梁可以前后移动，底座上的钻台也可以

在悬臂梁上左右移动。悬臂梁和钻台上备有足够长的连续（无接头）电缆（电源、控制、通讯等用）。除了所配设备和装置的特殊要求外，电缆在点与点之间连接不得使用中间接线盒。履带式电缆桥的设计和安装应满足悬臂梁的最大外伸22.86m，钻台左右横移4.572m 的全范围移动的要求。同样，在服务软管连接处，也应提供足够的软管接头（主甲板/悬臂梁/钻台），以保证悬臂梁和钻台全范围的移动的要求。

3.主要参数（表8—6） 型宽 型深 设计吃水线 桩腿总长 桩靴型深 桩靴直径 悬臂梁型深 悬臂梁长度 直升飞机平台长度 直升飞机平台距基线高度 4.主要性能（表8—7） 最大钻井作业工况可变载荷 风暴自存工况可变载荷 悬臂梁最大纵向外伸 钻台左右横向移动 最低设计温度 最大钻井作业深度 总装机容量 电制 生活区 作业区域

3766T 2995T 22.86m(75英尺) 4.57m（15英尺） -20℃ 9150m(3000英尺) 约8000kW 690V 3PH 60Hz 120人 UK HSE 无限航区 76.00m 9.45m 6.4m 166.98m 5.95m 17.99m 8.53m 55.60m 25.30m 27.90m 5.设计参数及工况（表8—8） 设计工况 水深（m） 最大浪高(m) 相应的海浪周期(s) 最大风俗（m/s-一分钟平均值） 流苏（m/s） 底流 表面流 气隙(m) 入泥深度(m) 可变载荷(t) 最低设计温度（℃） 钻井船设计载荷

-最大可变变载荷（取决于作业位置、作业水深、环境状况、稳定计算） 钻台/悬臂梁组合载荷（最大总负荷） 由以下载荷构成 Hook大钩载荷 Rotary转盘载荷 Set Back立根盒载荷 Conductor Tensioner套管张力载荷 Skimmer Tank Load集污罐载荷 悬臂梁移动时最大负荷 悬臂梁管架总负荷 桩靴最大反作用载荷 甲板设计载荷 主甲板（管架内） 主甲板（管架外） 悬臂梁甲板（管架内） 2.t/㎡ 2.08 t/㎡ 2. t/㎡ 725.95t 725.95t 431.03t 408.35t 58.08t 431t立根＋508t悬臂梁管架载荷 508t 10,662t 1,180t 6,580t 121.92 17.07 13.8 36.01 0.00 0.51 12.19 3.05 3.766 -20℃ 106.68 20.73 14.7 36.01 0.00 1.03 15.24 3.05 3．766 -20℃ 99.98 17.68 16 36.01 0.00 0.77 19.81 3.05 3.766 -20℃ 悬臂梁甲板（管架外） 钻台 生活区甲板 生活区屋顶 泥浆池 机舱 袋装库房 防喷器存放室区 悬臂梁设计载荷 转盘中心位置 艉后22.68m(最大) 艉后13.72m 舱容 容器/舱室 消防水罐 柴油 钻井用水 饮用水 压载舱 散装泥浆和/或水泥 袋装材料舱 在用和备用泥浆池 重泥浆池 盐水池 沉砂罐 油基泥浆池 计量罐 精计量罐 总容量 754 660 1570 550 13，382 508 5，000 752 24 216 84 216 7.95 3.07 纵向中心线上 1,180t 1,180t （工作区） （立根盒） 1.32 t/㎡ 1.95 t/㎡ 2.25 t/㎡ 0.46 t/㎡ 0.73 t/㎡ 10.25 t/㎡ 1.32 t/㎡ 2. t/㎡ 2. t/㎡ 偏移中心线左/右舷各4.57m 476.41t 1,180t 单位 m³ m³ m³ m³ m³ m³ 袋 m³ m³ m³ m³ m³ m³ m³ 设计拖航条件 1 油田拖航 6度单幅滚动或在钻井船的自然周期下倾斜，加倾斜角度时重力载荷的120% 桩腿长 2 远洋湿拖 完全收回—166.98m 15度单幅滚动或在10秒周期内倾斜，加桩腿（ABS）倾斜角度下引起的瞬时重力载荷的120% 桩腿长 3 干拖 桩腿长 完全收回—130.46m 166.98m 钻井船结构设计满足适当的固定方式下的干拖要求

“海洋石油941”钻井船是我国自行生产的第一条深水钻井船。它的研制与广泛使用，开创了我国海洋石油开采工艺从近海或浅海向深海区域进军的纪元，对我国石油行业的发展有着深远的意义。